明天下午嵌入式系统课件PPT课件下载推荐.pptx

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处理指令并将结果写回寄存器。

当处理器执行简单的数据处理指令时，流水线使得平均每个时钟周期能完成1条指令。

3级流水线（最佳）,该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数（CPI）=1,操作,周期,123456,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,-6-,-7-,ARM9的5级流水线,ARM9TDMI中使用了典型的5级流水线，包括以下流水线级：

从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。

指令被译码，从寄存器堆中读取寄存器操作数。

在寄存器堆中有3个操作数读端口，因此，大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。

（3）执行（execute）：

将其中1个操作数移位，并在ALU中产生结果。

如果指令是Load或Store指令，则在ALU中计算存储器的地址。

算术逻辑单元（arithmeticandlogicunit）（4）缓冲/数据（buffer/data）：

如果需要则访问数据存储器，否则ALU只是简单地缓冲1个时钟周期。

（5）回写（write-back）：

将指令的结果回写到寄存器堆，包括任何从寄存器读出的数据。

-8-,3.ARM的基本数据类型,ARM采用的是32位架构，基本数据类型有以下3种：

Byte：

字节，8bit。

Halfword：

半字，16bit（半字必须2字节边界对齐）Word：

字，32bit（字必须于4字节边界对齐）。

ARM存储器数据组织结构：

长度为1个字的数据项占用一组4字节的位置，该位置开始于4的倍数的地址（地址最末两位为00）半字数据占有两个字节的位置，该位置开始于偶数字节地址（地址最末一位为0）。

信息存储的字节顺序,多字节类型的数据，在存储器中有两种存放方法：

大端格式（big-endian）字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中小端格式（little-endian）：

与大端存储格式相反，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节,-9-,字节顺序会涉及到的问题,可移植性问题当在不同存储顺序的微处理器间进行程序移植时，要特别注意存储模式的影响。

把从软件得到的二进制数据写成一般的数据格式往往会涉及到存储顺序的问题通信中的存储顺序问题在网络通信中，Internet协议（即IP协议）定义了标准的网络字节顺序。

该字节顺序被用于所有设计使用在IP协议上的数据包、高级协议和文件格式很多网络设备也存在存储顺序问题即字节中的位采用大端法或小端法发送。

这取决于OSI模型最底层的数据链路层。

-10-,-11-,大端的数据存放格式,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,worda=0xf6734bcd,f6,73,4b,cd,最高有效字节位于最低地址,最高有效字节的地址就是该word的地址,-12-,小端的数据格式,低地址,高地址,地址A,地址A+1,地址A+2,地址A+3,最低有效字节的地址就是该word的地址,最低有效字节位于最低地址,worda=0xf6734bcd,f6,73,4b,cd,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,13,4.嵌入式处理器,嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心寻址流行体系结构有30多个系列、1000多种，几乎每个月都有新产品出现字长有4、8、16、32、64位等。

其中32、64位微处理器是目前主流嵌入式系统的核心主要硬件厂商：

Intel、Motorola、Philips、AMD、三星等重要参数：

空间：

可以从64KB到4GB处理速度：

最快可以达到2000MIPS封装：

从几个引脚到几百个引脚不等嵌入式处理器类：

嵌入式微控制器，MCU嵌入式微处理器，MPU嵌入式数字信号处理器，DSP嵌入式片上系统，SoC嵌入式可编程片上系统，SoPC,-13-,典型CPU结构,系统总线包含：

数据总线（DataBus）、地址总线（AddressBus）和控制总线（ControlBus）,-14-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,15,嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）MCU=CPU+存储器+I/O接口+辅助电路（时钟、WatchDog、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A等）；

微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器，俗称单片机，以8位居多；

微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高；

微控制器是目前嵌入式系统工业的主流；

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，占嵌入式系统约70%的市场份额。

2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,16,嵌入式微控制器（MCU）,通用系列Intel:

8051、P51XA、MCS-96/196/296/251、Motorola:

68300、C68HC05/11/12/16MICROCHIP:

PIC12C5XXX、PIC16CXXX、PIC17CXXAtmel:

ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128TI:

LM3S系列STMicroelectronics：

STM32半通用型支持USB接口的MCU:

8XC930/932、C541支持I2C、CAN-bus、LCD的MCU,-16-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,17,嵌入式微处理器（MPU）,嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit,MPU）嵌入式微处理器=CPU+硬件接口（存储器接口，键盘接口等）+辅助电路（时钟、A/D、D/A、调试电路等）嵌入式微处理器必须装配在专门设计的电路板上，在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,-17-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,18,嵌入式微处理器（MPU）,嵌入式微处理器EMPU由通用计算机中的微处理器演变而来与通用计算机处理器不同的是，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求为了满足嵌入式应用的特殊要求，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点嵌入式处理器目前主要有MIPS、PowerPC、ARM系列等,-18-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,19,CPU、MCU和MPU的区别,CPU包含算术逻辑运算单元、控制单元、寄存器堆、内部总线CPU是解释、执行机器语言的逻辑单元，一般不以实物程现典型CPU：

MCS-51、AVR、PIC、ARM、PowerPC、X86MCU=CPU+存储器+I/O接口+辅助电路（时钟、WatchDog、脉宽调制输出、A/D、D/A等）+通信接口（串行口、IIC、SPI）一般应用于控制所需软件体积较小，可写烧写在片内ROM、RAM，可不外接存储器接口功能较弱典型MCU：

AT89C51、ATmega16MPU=CPU+I/O接口（存储器接口，键盘接口等）+辅助电路（时钟、WatchDog、脉宽调制输出、A/D、D/A、LCD接口、调试电路等）+通信接口（串行口、IIC、SPI、以太网、WIFI等）一般应用于数据、信息的处理，硬件性能强所需软件体积较大接口功能较强典型MPU：

S3C44B0、MPC860、酷睿i321203.3GHz,-19-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,20,嵌入式DSP处理器,嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）嵌入式DSP是专用于离散信号的处理、计算，针对某些领域而设计的处理器。

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。

在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP得到了大规模的应用。

-20-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,21,嵌入式DSP处理器,DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。

1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

DSP的运算速度的进一步提高，使得其应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。

-21-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,嵌入式DSP处理器市场,最有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200、DSP56300等几个不同系列的处理器，该系列24位DSP提供了大容量的片内存储器、滤波器、协处理器,具有较优异的性能与体积、价位、功耗比PHILIPS公司近年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元，应用目标是大批量消费类电子产品。

2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,23,嵌入式片上系统（SoC）,嵌入式片上系统（SystemonChip,SoC）SoC是一种基于IP（IntellectualProperty，知识产权）核的嵌入式系统设计思想各种通用处理器内核及外设作为SoC设计公司的标准库，用标准的VHDL/Verilog等语言描述，存储在器件库中；

用户定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品；

除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

-23-,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,24,嵌入式片上系统结构,ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上存储器、模拟功能单元、通信的接口单元（例如通用串行端口、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等）以及其它功能单元,ASICCore,Memory,EmbeddedProcessorCore,AnalogFunctions,Communication,SensorInterface,2023/5/10,中国矿业大学信电学院张林,25,多核处理器,将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。

由于多核处理器对外的“界面”是统一的，用户不会在主板、硬件体系方面做大的改变，在从兼容性和系统升级成本方面有诸多的优势。

实现两个或多个内核协调工作通常采用对称（Symmetric）多处理技术和非对称多处理（Asymmetric）两种方式：

IBMPower4处理器采用对称多处理技术，将两颗完全一样的处理器封装在一个芯片内，达到双倍或接近双倍的处理性能，由于共享了缓存和系统总线，因此这种做法的优点是能节省运算资源TI公司的OMAP5910双核处理器采用一种非对称多处理的工作方式，即两个处理内核彼此不同，各自处理和执行特定的功能，在软件的协调下分担不同的计算任务，如一个执行加密，而另一个执行TCP/IP协议处理在2001年，IBM公司推出了世界上第一款基于双核的Power4处理器的高性能服务器处理器；

随后Sun和HP公司都先后推出了基于双核体系结构的UltraSPARC及PA-RISC芯片；

早期多核处理器主要应用于对提高性能和降低功耗最为迫切的服务器领域，目前在消费电子中也被广泛使用。

-25-,5.嵌入式硬件补充基础知识,1.处理器2.寄存器3.总线4.I/O端口5.中断6.数据编码7.最小系统,-26-,1、微处理器,中央微处理器，简称CPU，它是计算机中最重要的一个部分，它决定嵌入式系统的主要功能特性。

CPU又由运算器和控制器两大部分组成。

图2.1微处理器结构,2、寄存器,所谓寄存器（register），是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用于暂时存放参与运算的数据和运算结果。

寄存器是CPU内部的元件，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。

外部设备也有寄存器，是一种存储单元，其物理结构跟内存单元不一样，但作用跟内存单元一样，都能保存信息。

在设计时，给外部设备的每个寄存器都分配一个地址，CPU可以根据地址访问某个寄存器，则该寄存器发生相应的动作：

或接收数据总线上的数据（对应于写操作），或把自己的数据送到数据总线上（对应于读操作）。

当CPU访问某个寄存器时，同一个外设的其他寄存器和其他外设的寄存器由于没有CPU的指令不会发生动作。

3、总线,总线（BUS）是接口电路与CPU或者接口电路与I/O外部设备之间连接的主要形式，是各功能部件之间传送信息的公共通路。

采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各部件之间的通信线，这组公共信号线就称为总线。

4、I/O端口,I/O端口又称为I/O接口，它是微处理器对外控制和信息交换的必经之路，是CPU与外部设备连接的桥梁，它在CPU与外部设备之间起信息转换和匹配的作用。

I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制数信息，而并行I/O端口一次能传送一组二进制数信息。

图2.2I/O接口电路的位置,CPU对外设I/O端口物理地址的编址方式有两种：

一种是I/O映射方式（I/Omapped）；

另一种是内存映射方式（Memorymapped）。

具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

5、中断,中断方式是指，当外部设备准备与CPU进行数据传输时，外部设备首先向CPU发出中断请求，CPU接收到中断请求并在一定条件下，暂时停止原来的程序并执行中断服务处理程序，执行完毕以后再返回原来的程序继续执行。

图2.3中断处理的各个阶段,6、数据编码,设用微处理器控制一串彩灯（发光二极管）的亮灭。

如图2.4所示。

我们设不发光的口线（高电平）为1，发光的口线（低电平）为0。

当彩灯L1发光时，PD0口线为低电平，而其余口线均为高电平。

则可以表示为以下对应值：

PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD011111110,用二进制数表示为：

11111110。

用十六进制编码，其值为：

FEH。

再如，要彩灯L8发光，其余均不发光，则有：

用二进制数表示为：

01111111。

十六进制编码为：

7FH。

PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111111,若希望两边亮，中间暗，则：

7EH。

PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD001111110,7、什么是最小系统,嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作的，需要一些必要的外围元器件给它提供基本的工作条件。

一个ARM最小系统一般包括：

（1）ARM微处理器芯片，

（2）电源电路、复位电路，晶振电路，（3）存储器（FLASH和SDRAM），（4）UART（RS232及以太网）接口电路。

（5）JTAG调试接口。

S3C2410微处理器,6.嵌入式产品操作系统,对于嵌入式产品，相信大家并不陌生。

小到电子体温计，大到飞机的自动导航系统都属于嵌入式系统。

身边的嵌入式产品：

手机电子词典可视电话数字相机机顶盒高清电视汽车电子,7.嵌入式系统,什么是嵌入式系统？

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

典型的嵌入式系统组成,嵌入式系统示例,汽车控制系统,嵌入式系统示例,汽车控制系统,尾灯控制系统,后车门控制系统,前车门控制系统,座椅控制系统,发动器控制系统,所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统,背景分析,早期嵌入式系统：

硬件所限汇编语言基本不采用操作系统基础条件成熟硬件的提升微处理器性能提高、存储器容量增加软件技术快速发展编译器、操作系统、集成开发环境,47,嵌入式操作系统概述发展阶段（1/4）,嵌入式操作系统的发展主要经历了以下四个阶段：

无操作系统的阶段单芯片为核心具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能一般没有明显的操作系统支持通过汇编语言编程对系统进行直接控制。

主要特点系统结构和功能都相对单一，针对性强无操作系统支持几乎没有用户接口,48,嵌入式操作系统概述发展阶段（2/4）,简单监控式的实时操作系统阶段以嵌入式处理器为基础以简单监控式的操作系统为核心主要特点：

处理器种类繁多，通用性比较弱；

开销小，效率高；

一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；

用户界面不够友好，主要用来控制系统负载，以及监控应用程序运行。

八十年代初：

出现了以VRTX（1981）、pSOS等为代表的第一代系统（实时内核），提供了实时操作系统基本功能。

49,嵌入式操作系统概述发展阶段（3/4）,通用的嵌入式实时操作系统阶段以通用型嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统主要特点：

运行在不同的微处理器具有强大的通用型操作系统的功能文件和目录管理多任务设备驱动支持网络支持图形窗口用户界面具有丰富的API和嵌入式应用软件,八十年代后期到九十年代初期，出现以VxWorks、RTEMS、NucleusPLUS、QNX、OSE为代表的第二代系统。

50,嵌入式操作系统概述发展阶段（4/4）,二十世纪末，出现了以Integrity为代表的第三代系统，进一步在实时性、高可靠性、高可用性等方面提供了强有力的支持。

新一代实时操作系统的发展方向主要包括高可信、高可靠、高可用、高安全、微型化、支持多核等。

近年来，出现了以Internet为标志的嵌入式系统嵌入式系统与Internet的全面结合嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的未来新的名词:

WebOS,嵌入式实时操作系统发展,51,嵌入式实时操作系统VxWorks,VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的嵌入式实时操作系统，具有高性能、稳定的内核以及友好的用户开发环境，是世界第一大嵌入式操作系统提供商，应用于航空航天、工业控制、网络设备、汽车电子等领域。

VxWorks所具有的显著特点是：

可靠性、实时性和可裁剪性。

支持多种处理器，如x86、PowerPC、ARM、Sparc、MIPS、DSP等。

经典应用：

1997年NASA火星探路者、2007年凤凰号火星探测器,在火星沙丘前进,在火星上拍摄的日落全景,52,嵌入式实时操作系统Integrity,美国GreenHills公司是世界排名第二的嵌入式操作系统提供商，Integrity是GreenHills公司的RTOS产品，代表了目前最先进的RTOS技术，被NASAJPL选中用于测试在太空中的新技术。

分为普通EmbeddedRTOS和关键应用中使用的DO-178B实时操作系统两类。

系统技术优势突出内核服务优化，系统调用的开销降至最小。

复杂的系统调用可以被抢占。

系统的调度器是一个真正的实时调度器。

具有快速中断处理能力，内核从不阻塞某些中断。

具有一流的集成开发环境MULTI支持。

53,嵌入式实时操作系统WindowsEmbedded,Microsoft公司针对针对PDA、PocketPC、移动电话、小型终端设备提供的操作系统。

用户开发环境、接口API、系统界面等与Windows相似，因而具有较多的应用。

1996-卡西欧蛤壳式PDA（WinCE1.0）,2006年,1996年,2003年,54,开源的嵌入式实时操作系统嵌入式Linux,嵌入式系统追求数字化、网络化和智能化，要求系统必须是开放的、提供标准的API，并能够方便地与众多第三方软硬件沟通。

尤其是处于核心地位的操作系统。

Linux是开放源码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者是其开发的强大技术后盾。

对Linux进行实时性改造与裁剪，形成：

ClinuxEmbedixRTLinuxRTAIMontaVistaLinux,55,开源的嵌入式实时操作系统C/OSII,C/OSII是一种基于优先级抢占式、可移植、可裁剪的多任务实时操作系统。

绝大部分源码是用ANSIC写的，与硬件相关的那部分汇编代码被压缩至最低限度，使得系统移植性强。

C/OSII诞生于90年代初，最初名称是C/OS，由JeanJ.Labrosse开发，并在网络上开源，其特点为短小、精悍。

C/OSII经裁剪最小可达2KB，最小数据RAM需求10KB。

C/OSII可以在8位64位，超过40种不同架构的微处理器上运行，在世界范围内得到广泛应用，包括：

手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制上。

56,开源的嵌入式实时操作系统ThreadX,ThreadX是一款强实时操作系统，以内核小（最小内核为2K，最小RAM500byte）、实时性强、高可靠性、源代码开放，免收产品版权费而闻名。

由美国ExpressLogic提供解决方案，适于深度嵌入的系统，有功能强大的开发调试环境MULTI支持。

典型应用：

2005年7月4日，美国NASA实施深度撞击号宇宙飞船对坦普尔1号彗星的准确撞击，关键任务由ThreadX完成。

57,开源的嵌入式实时操作系统T-Kernel,由日本东京大学的坂村健教授主持开发，具有执行效率高、实时性好等特点。

1984年提出计算机操作系统规范TRON（TheReal-timeOperatingsystemNucleus）构想，先后推出了ITRON、JTRON、BTRON、CTRON等规范。

其应用从汽车、移动电话、传真机到电视机、家电等领域，主要用户包括：

丰田、松下、日立、富士通、东芝、索尼、佳能、理光、NEC等，装机量超过30亿。

IBM、Microsoft、ARM、MIPS